[發明專利]一種無碳足跡的合成氨裝置、方法及其應用

有效

• 申請號: 201511019223.3
• 申請日: 2015-12-30
• 公開（公告）號: CN105540609B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 孫暉;周紅軍
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: C01C1/02
• 分類號: C01C1/02;C25C3/02
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 張德斌,姚亮

技術領域

本發明涉及一種無碳足跡的合成氨裝置、方法及其應用，屬于合成氨及氮肥生產技術領域。

背景技術

嚴峻的環境問題使得人類越來越重視低碳生活及節能減排。而當今農業生產過程中使用的氮肥如尿素和氨水的生產幾乎全部以煤、石油或天然氣為碳源；即首先將水轉化生產氫氣，再使氫氣與氮氣反應合成氨，最后使得氨氣與部分二氧化碳反應生產尿素。而副產的二氧化碳部分或全部排放。二氧化碳的排放會導致溫室效應，進一步會產生嚴重的環境問題。

發明內容

為了解決上述的缺點和不足，本發明的目的在于提供一種無碳足跡的合成氨裝置。

本發明的目的還在于提供一種采用上述合成氨裝置的無碳足跡的合成氨方法。

本發明的目的還在于提供一種包含上述合成氨方法的無碳足跡的氮肥生產方法。

本發明的目的還在于提供上述合成氨方法在生產氮肥中的應用。

為了達到上述目的，本發明提供了一種合成氨裝置，該裝置包括反應器左室、反應器右室，所述反應器左室設置有反應器左室入口及出口，反應器右室設置有反應器右室入口及出口；

所述反應器左室、反應器右室之間設置有隔膜；

所述反應器左室、反應器右室為內側壁均粘貼有碳質材料電極的反應器左室、反應器右室；

所述碳質材料電極與電源相連。

根據本發明所述的裝置，優選地，將每個碳質材料電極的面積記為S，則兩電極之間的距離為S^0.5/10，合成氨裝置的體積(指反應器左室、反應器右室的體積和)為S×S^0.5/10。

根據本發明所述的裝置，本領域技術人員可以根據現場作業需要改變陰極、陽極與電源的連接關系以將陰極、陽極進行切換使用，即將原來的陰極(陽極)切換為陽極(陰極)。

根據本發明所述的裝置，優選地，所述隔膜包括玻璃纖維隔膜或高分子隔膜。

根據本發明所述的裝置，優選地，所述碳質材料包括碳紙、碳布、多孔石墨板或泡沫石墨烯。

本發明還提供了一種合成氨的方法，該方法是利用上述裝置實現的，其包括以下步驟：

a、使金屬鋰與氮氣相接觸發生反應，得到氮化鋰；

b、在室溫、常壓、氮氣氣氛下，使氮化鋰與水蒸汽接觸發生反應，得到氨氣和氫氧化鋰；

c、對氫氧化鋰進行電解以回收金屬鋰，再將得到的金屬鋰按照步驟a繼續進行反應。

根據本發明所述的方法，優選地，所述金屬鋰的用量為每平方厘米電極材料(指需要涂覆金屬鋰的電極材料)涂覆1-10mg金屬鋰。

根據本發明所述的方法，步驟b中氮化鋰與水蒸汽的反應為放熱反應，因此步驟b中不需要額外加熱，并且出于實驗安全考慮，本發明需要將反應放出的熱量進行熱交換以避免反應溫度過高。反應生成的氫氧化鋰微溶于水(100克水能溶解12.7克氫氧化鋰)，因此步驟b選用水蒸汽作為反應原料不但可以控制(降低)反應放熱，還可以防止一部分鋰的流失。

根據本發明所述的方法，優選地，步驟c中所述電解過程采用的電極為碳質材料電極；

更優選所述碳質材料包括碳紙、碳布、多孔石墨板或泡沫石墨烯。

本發明所使用的碳紙、碳布、多孔石墨板及泡沫石墨烯均為本領域的常規產品，可以通過購買獲得。

本發明所使用的玻璃纖維隔膜及高分子隔膜均為本領域的常規產品，可以通過購買獲得，其中所述高分子隔膜可以采用目前應用于鋰離子電池中的高分子隔膜。

根據本發明所述的方法，優選地，步驟c中所述電解過程采用的電解工作液包括乙二醇二甲醚或四乙二醇二甲醚電解液，雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰電解質及碘化鋰添加劑；

更優選地，以所述電解工作液的總體積計，雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰的濃度為0.10-0.50mol/L；碘化鋰的濃度為0.01-0.10mol/L。在電解工作液中，乙二醇二甲醚或四乙二醇二甲醚為溶劑。

根據本發明所述的方法，優選地，步驟c所述的電解是在常溫、常壓下進行的，電解過程的電壓為2.0-4.5V，電流強度為0.04-0.40A/g金屬鋰。在本發明優選的實施方式中通過電解過程的電壓來判斷電解反應是否結束，即當電解過程的電壓達到4.5V時，認為電解反應結束。

根據本發明所述的方法，優選地，該方法包括以下具體步驟：

a、將金屬鋰涂覆在作為陽極的碳質材料上，從內側壁粘貼有作為陽極的碳質材料的反應器入口通入氮氣，使氮氣與金屬鋰發生反應生成氮化鋰固體；